Desnitrificación
Convertiendo nitrato a nitrógeno gaseoso.
EFLUENTES
6/9/20247 min read
En mi última publicación, abordé el tema de la nitrificación en lodos activados, que consiste en la conversión del nitrógeno amoniacal en nitrato por microorganismos aeróbicos.
La nitrificación es ampliamente empleada debido a su simplicidad, especialmente porque las autoridades sanitarias suelen exigir la reducción únicamente de la concentración de nitrógeno amoniacal, una de las formas de nitrógeno más perjudiciales para el medio ambiente.
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Sin embargo, existen casos más críticos en los que es necesario reducir el contenido de nitrógeno total (amoniacal + orgánico + nitrito + nitrato). A pesar de llevar a cabo la nitrificación, donde transformamos el nitrógeno amoniacal en nitrato, el valor total de nitrógeno se mantiene constante, como afirmó Lavoisier: "Nada se pierde, todo se transforma".
En estos casos, es crucial incorporar al sistema de lodos activados un proceso llamado anóxico, donde el nitrato se convierte en nitrógeno molecular (N2), el gas predominante en la atmósfera.
De nuevo tenemos una transformación del nitrógeno, pero ahora en un gas, que estará libre de nuestro efluente.
2NO3−+10e−+12H+→2NO2−+6H2O
2NO2−+4H++6e−→N2+2H2O
GLOBAL: 6 NO3- + 5 C6H12O6 → 3 N2 + 5 CO2 + 6 H2O + 6 OH-
Existen tres tipos comunes de reactores anóxicos para llevar a cabo la desnitrificación:
Wuhrmann,
Ludzack – Ettinger; y
Bardenpho.
Cada uno presenta variaciones en su diseño y funcionamiento, pero todos tienen como objetivo principal reducir la concentración de nitrógeno en el agua residual.
REACTOR ANÓXICO
Antes de entrar en detalle, necesitamos entender que es un reactor anóxico.
Un reactor anóxico es un sistema de tratamiento de aguas residuales diseñado para promover procesos biológicos en ausencia de oxígeno molecular (O2). Esto se logra mediante la creación de condiciones anaeróbicas dentro del reactor, donde los microorganismos presentes pueden llevar a cabo reacciones bioquímicas específicas.
En un reactor anóxico, el oxígeno disuelto se mantiene a un nivel extremadamente bajo, generalmente por debajo de 0,25 mg/L, para garantizar la ausencia de oxígeno molecular. Este bajo nivel de oxígeno es crucial, ya que la presencia de oxígeno inhibiría los procesos anaeróbicos y desactivaría las enzimas responsables de las reacciones específicas que ocurren en este entorno.
Es importante mencionar que la agitación en el reactor es esencial para mantener las bacterias en suspensión y garantizar una distribución uniforme de los sustratos y nutrientes en el medio. Esto permite que los microorganismos tengan acceso adecuado a los sustratos, lo que favorece una mayor eficiencia en los procesos biológicos.
Además, se debe tener en cuenta que durante la desnitrificación, el óxido nitroso (N2O), un gas de efecto invernadero significativamente más potente que el dióxido de carbono (CO2), puede formarse en un subproducto cuando los valores de oxígenos soprepasan los 0,25 mg/l, ya que inhiben la acción de la enzima responsable por su transformación.
Por lo tanto, es crucial controlar cuidadosamente las condiciones del reactor anóxico para minimizar la producción de N2O y maximizar la eficiencia del proceso de desnitrificación.
Fuente imagen: Gratt
Tanque pre anóxico con agitación - Fuente imagen: Gratt
Existen tres tipos comunes de reactores anóxicos para llevar a cabo la desnitrificación:
Wuhrmann,
Ludzack – Ettinger; y
Bardenpho.
Cada uno presenta variaciones en su diseño y funcionamiento, pero todos tienen como objetivo principal reducir la concentración de nitrógeno en el agua residual.
REACTOR ANÓXICO
Antes de entrar en detalle, necesitamos entender que es un reactor anóxico.
Un reactor anóxico es un sistema de tratamiento de aguas residuales diseñado para promover procesos biológicos en ausencia de oxígeno molecular (O2). Esto se logra mediante la creación de condiciones anaeróbicas dentro del reactor, donde los microorganismos presentes pueden llevar a cabo reacciones bioquímicas específicas.
En un reactor anóxico, el oxígeno disuelto se mantiene a un nivel extremadamente bajo, generalmente por debajo de 0,25 mg/L, para garantizar la ausencia de oxígeno molecular. Este bajo nivel de oxígeno es crucial, ya que la presencia de oxígeno inhibiría los procesos anaeróbicos y desactivaría las enzimas responsables de las reacciones específicas que ocurren en este entorno.
Es importante mencionar que la agitación en el reactor es esencial para mantener las bacterias en suspensión y garantizar una distribución uniforme de los sustratos y nutrientes en el medio. Esto permite que los microorganismos tengan acceso adecuado a los sustratos, lo que favorece una mayor eficiencia en los procesos biológicos.
Además, se debe tener en cuenta que durante la desnitrificación, el óxido nitroso (N2O), un gas de efecto invernadero significativamente más potente que el dióxido de carbono (CO2), puede formarse en un subproducto cuando los valores de oxígenos soprepasan los 0,25 mg/l, ya que inhiben la acción de la enzima responsable por su transformación.
Por lo tanto, es crucial controlar cuidadosamente las condiciones del reactor anóxico para minimizar la producción de N2O y maximizar la eficiencia del proceso de desnitrificación.
WUHRMANN - POST ANÓXICO
En este proceso, se coloca un estanque anóxico después del reactor aireado del sistema de lodos activados y antes del sedimentador.
Dado que no se añade carbono al medio, el proceso ocurre por la fase endógena, donde las bacterias heterótrofas utilizan el carbono de su protoplasma, lo que ocasiona una desnitrificación lenta y parcial.
LUDZACK - ETTINGER - PRE ANÓXICO
En este caso, generalmente se coloca el reactor anóxico antes del reactor aireado.
También es necesario realizar una recirculación interna (saliendo el efluente del reactor aireado para entrar en el tanque anóxico) para recircular el nitrato y aumentar la eficiencia del proceso. Sin embargo, una fracción del nitrato siempre avanza, lo que no elimina todo el nitrógeno.
Se debe tener cuidado con la recirculación interna para evitar la transferencia de oxígeno disuelto del reactor aireado al estanque anóxico, así como para evitar diluir la materia orgánica de entrada (carbono).
La recirculación máxima recomendada es del 400%, con esta proporción se logra una eficiencia de aproximadamente el 80% en la remoción del nitrógeno.
BARDENPHO
Para lograr una mayor eficiencia, lo ideal es añadir dos tanques anóxicos al proceso, uno antes y otro después del reactor aireado (proceso Bardenpho).
Se recomienda tener un tercer estanque después del último tanque anóxico, que debe ser aireado para eliminar los gases acumulados y oxidar la DBO remanente.
En el proceso Bardenpho, se alcanza una alta eficiencia al tener una fuente de carbono de la DBO en el primer tanque anóxico y una segunda remoción en el segundo tanque anóxico mediante la fase endógena. En un sistema bien dimensionado, se puede lograr una eficiencia superior al 85%.
Sin embargo, es difícil lograr una eliminación completa del nitrógeno total debido a la recirculación interna ser limitada para evitar la dilución de la DBO y la adición de oxígeno. Suele haber entre 1 y 2 mg/L de nitrógeno no biodegradable que queda como remanente.
La desnitrificación también mejora la calidad del efluente del sedimentador, ya que este proceso evita la liberación de gases en el sedimentador que provocan la flotación de lodos.
OTROS BENEFICIOS
La desnitrificación no solo elimina los nitratos, sino que también recupera oxígeno. Este fenómeno es beneficioso el ahorro energético. Al utilizar la desnitrificación como método de tratamiento de aguas residuales, se reducen los costos asociados con la aeración y el bombeo de aire, ya que el proceso natural de desnitrificación libera oxígeno al mismo tiempo que elimina los nitratos.
La reacción química que ilustra este proceso es la siguiente:
2 NO3- + 2H+ → N2 + 2.5 O2 + H2O
Esta ecuación muestra que dos moles de nitrato (NO3-) se convierten en nitrógeno molecular (N2) y 2.5 moles de oxígeno (O2).
Por lo tanto, la reducción de 1 mg/l de nitrato libera 2.86 mg/l de oxígeno.
En última instancia, esta combinación de eliminación de contaminantes y recuperación de oxígeno resulta en un proceso eficiente y sostenible desde el punto de vista energético y ambiental.
Además de la recuperación de oxígeno, la desnitrificación también conlleva una economía de alcalinidad en comparación con el proceso de nitrificación.
En la nitrificación, por cada mol de nitrato que se convierte, se producen dos moles de iones de hidrógeno (H+), lo que reduce el pH del agua y aumenta la acidez.
Sin embargo, en la desnitrificación, por cada mol de nitrato reducido, se consume un mol de ion de hidrógeno (H+). Al reducir la generación de iones de hidrógeno durante la desnitrificación, se minimiza la necesidad de ajustes de pH y la adición de agentes neutralizantes, lo que a su vez contribuye a una gestión más económica y sostenible de los recursos.
Fuente imagen: Von Sperling - Lodos ativados
Fuente imagen: Von Sperling - Lodos ativados
Fuente imagen: Von Sperling - Lodos ativados
CONTROL DEL SISTEMA
Para un mejor control del proceso, se recomienda instalar un medidor de Potencial Redox (ORP) en los reactores anóxicos, manteniendo un rango entre -50 mV y +50 mV.
Cuanto más bajo sea el valor, mayor debe ser la recirculación interna (aumentando la cantidad de nitrato). Para ello, suele implementarse una automatización en el variador de frecuencia de la bomba de recirculación con la sonda de ORP.
También es necesario mantener el pH cerca de la neutralidad.